ECOLOGIA MICROBIANA: HISTÒRIA, OBJECTE D'ESTUDI I APLICACIONS - BIOLOGIA - 2025

La ecologia microbiana és una disciplina de la microbiologia ambiental que sorgeix de l'aplicació dels principis ecològics a la microbiologia (mikros: petit, vis: vida, logos: estudi).

Aquesta disciplina estudia la diversitat dels microorganismes (organismes unicel·lulars microscòpics d'1 a 30 micres), les relacions entre aquests amb la resta dels éssers vius i amb l'ambient.

Figura 1. Algues, bacteris i protozous ameboides interactuant en mostres d'aigua no tractada. Font: CDC / Janice Haney Carr, en: publicdomainfiles.com

Com que els microorganismes representen la major biomassa terrestre, les seves activitats i funcions ecològiques, afecten profundament a tots els ecosistemes.

La primerenca activitat fotosintètica dels cianobacteris i la conseqüent acumulació d'oxigen (O ₂) en l'atmosfera primitiva, representa un dels exemples més clars de la influència microbiana en la història evolutiva de la vida al planeta Terra.

Això, atès que la presència d'oxigen en l'atmosfera, va permetre l'aparició i evolució de totes les formes de vida aeròbiques existents.

Figura 2. Cianobacterias en forma d'espiral. Font: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Els microorganismes mantenen una activitat contínua i imprescindible per a la vida a la Terra. Els mecanismes que mantenen la diversitat microbiana de la biosfera, són la base de la dinàmica dels ecosistemes terrestres, aquàtics i aeris.

Donada la seva importància, la possible extinció de les comunitats microbianes (per contaminació dels seus hàbitats amb substàncies tòxiques industrials), generaria la desaparició dels ecosistemes dependents de les seves funcions.

Història de l'ecologia microbiana

Principis d'ecologia

A la primera meitat de segle XX es van desenvolupar els principis de l'ecologia general, considerant l'estudi de plantes i animals "superiors" en el seu ambient natural.

Es va obviar llavors als microorganismes i les seves funcions ecosistèmiques, malgrat la seva gran importància en la història ecològica de la planeta, tant per representar la major biomassa terrestre, com per ser els organismes de major antiguitat en la història evolutiva de la vida a la Terra.

En aquest llavors, només es considerava als microorganismes com degradadors, mineralizadores de matèria orgànica i intermediaris en alguns cicles de nutrients.

Microbiologia

Es considera que els científics Louis Pasteur i Robert Koch van fundar la disciplina de la microbiologia, a l'desenvolupar la tècnica de l'cultiu microbià axénico, el qual conté un únic tipus cel·lular, descendent d'una sola cèl·lula.

Figura 3. Cultiu bacterià axénico. Font: pixabay.com

No obstant això, en cultius axènics no podien estudiar-se les interaccions entre les poblacions microbianes. Era necessari el desenvolupament de mètodes que permetessin estudiar les interaccions biològiques microbianes en els seus hàbitats naturals (essència de les relacions ecològiques).

Els primers microbiòlegs a examinar interaccions entre microorganismes, a terra i interaccions amb plantes, van ser Sergéi Winogradsky i Martinus Beijerinck, mentre que la majoria s'enfocava en estudiar cultius axènics de microorganismes relacionats amb malalties o processos de fermentació d'interès comercial.

Winogradsky i Beijerinck van estudiar en particular les biotransformacions microbianes de compostos inorgànics de nitrogen i sofre a terra.

Ecologia microbiana

A principis de la dècada de 1960, en l'era de la preocupació per la qualitat ambiental i per l'impacte contaminant de les activitats industrials, va sorgir l'ecologia microbiana com a disciplina. El científic nord-americà Thomas D. Brock, va ser el primer autor d'un text sobre el tema en 1966.

No obstant això, va ser a finals de la dècada de 1970 quan es va consolidar l'ecologia microbiana com a àrea especialitzada multidisciplinària, atès que depèn d'altres branques científiques, com l'ecologia, biologia cel·lular i molecular, biogeoquímica, entre d'altres.

Figura 4. Interaccions microbianes. Font: Public Health Image Library, en publicdomainfiles.com

El desenvolupament de l'ecologia microbiana es troba estretament relacionat als avenços metodològics que permeten estudiar les interaccions entre microorganismes i els factors biòtics i abiòtics del seu ambient.

En la dècada de 1990, es van incorporar tècniques de biologia molecular a l'estudi fins i tot in situ de l'ecologia microbiana, brindant la possibilitat d'explorar la vasta biodiversitat existent en el món microbià i conèixer a més les seves activitats metabòliques en ambients sota condicions extremes.

Figura 5. Interaccions microbianes. Font. Janice Haney Carr, USCDCP, a: pixnio.com

Posteriorment, la tecnologia de l'ADN recombinant va permetre importants avenços en l'eliminació de contaminants ambientals, així com en el control de plagues d'importància comercial.

Mètodes en ecologia microbiana

Entre els mètodes que han permès l'estudi in situ dels microorganismes i de la seva activitat metabòlica, es troben:

• La microscòpia confocal amb làser.
• Eines moleculars com les sondes gèniques fluorescents, que han permès l'estudi de comunitats microbianes complexes.
• La reacció en cadena de la polimerasa o PCR (per les seves sigles en anglès: Polymerase Chain Reaction).
• Els marcadors radioactius i les anàlisis químiques, que permeten mesurar l'activitat metabòlica microbiana, entre d'altres.

Sub-disciplines

L'ecologia microbiana sol dividir en sub-disciplines, com ara:

• La autoecologia o ecologia de poblacions genèticament emparentades.
• L'ecologia d'ecosistemes microbians, que estudia les comunitats microbianes en un ecosistema particular (terrestre, aeri o aquàtic).
• L'ecologia biogeoquímica microbiana, que estudia els processos biogeoquímics.
• Ecologia de les relacions entre l'hoste i els microorganismes.
• Ecologia microbiana aplicada a problemes de contaminació ambiental i en la restauració de l'equilibri ecològic en sistemes intervinguts.

Àrees d'estudi

Entre les àrees d'estudi de l'ecologia microbiana, es troben:

• L'evolució microbiana i la seva diversitat fisiològica, considerant els tres dominis de la vida; Bacteri, Arquea i Eucaria.
• La reconstrucció de les relacions filogenètiques microbianes.
• Els mesuraments quantitatives de l'nombre, biomassa i activitat dels microorganismes en el seu ambient (incloent-hi els no cultivables).
• Les interaccions positives i negatives dins d'una població microbiana.
• Les interaccions entre poblacions microbianes diferents (neutralisme, comensalisme, sinergisme, mutualisme, competència, amensalismo, parasitisme i depredació).
• Les interaccions entre microorganismes i plantes: a la rizósfera (amb microorganismes fixadors de nitrogen i fongs micorízics), i en estructures aèries vegetals.
• Els fitopatògens; bacterians, fúngics i virals.
• Les interaccions entre microorganismes i animals (simbiosi intestinals mutualistes i comensals, depredació, entre d'altres).
• La composició, el funcionament i els processos de successió en comunitats microbianes.
• Les adaptacions microbianes a condicions ambientals extremes (estudi de microorganismes extremòfils).
• Els tipus d'hàbitats microbians (Atmo-ecosfera, hidro-ecosfera, lito-ecosfera i hàbitats extrems).
• Els cicles biogeoquímics influenciats per comunitats microbianes (cicles de l'carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen, sofre, fòsfor, ferro, entre d'altres).
• Diverses aplicacions biotecnològiques en problemes ambientals i d'interès econòmic.

aplicacions

Els microorganismes són essencials en els processos globals que permeten el manteniment de la salut ambiental i humana. A més, serveixen com a model en l'estudi de nombroses interaccions poblacionals (per exemple, la depredació).

La comprensió de l'ecologia fonamental dels microorganismes i els seus efectes sobre el medi, ha permès identificar capacitats metabòliques biotecnològiques aplicables a diferents àrees d'interès econòmic. Algunes d'aquestes àrees s'esmenten a continuació:

• Control de l'biodeterioració per biopel·lícules corrosives d'estructures metàl·liques (com oleoductes, contenidors de deixalles radioactives, entre d'altres).
• Control de plagues i patògens.
• Restauració de sòls agrícoles degradats per sobre explotació.
• Biotractament de residus sòlids en compostatge i abocadors.
• Biotractament d'efluents, a través de sistemes de depuració d'aigües residuals (per exemple, mitjançant biopel·lícules immobilitzades).
• Bioremediació de sòls i aigües contaminades amb substàncies inorgàniques (com metalls pesats), o xenobióticas (productes sintètics tòxics, no generats per processos biosintètics naturals). Entre aquests compostos xenobiòtics es troben els halocarburs, nitroaromàtics, bifenils policlorats, dioxines, sulfonats alquilbencílicos, hidrocarburs de l'petroli i plaguicides.

Figura 6. Contaminació ambiental amb substàncies d'origen industrial. Font: pixabay.com

• Biorrecuperación de minerals a través de la biolixiviació (per exemple, d'or i coure).
• Producció de biocombustibles (etanol, metà, entre d'altres hidrocarburs) i biomassa microbiana.

referències

1. Kim, MB. (2008). Progress in Environmental Microbiology. Myung-Bo Kim Editor. pp 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA and Brock, T. (2015). Brock biology of Microorganisms. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
3. Madsen, EL (2008). Environmental Microbiology: From Genomes to Biogeochemistry. Wiley-Blackwell. pp 490.
4. McKinney, RE (2004). Environmental Pollution Control Microbiology. M. Dekker. pp 453.
5. Prescott, LM (2002). Microbiology. Fifth edition, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremophiles es a source for novell enzymes. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00.060-2.
7. Wilson, SC, and Jones, KC (1993). Bioremediation of soil contaminated with polynuclear aromatic hydrocarbons (PAH): A review. Environmental Pollution, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.